F5351 Základy molekulární biofyziky Masarykova Univerzita Podzimní semestr 2013 Vitamín A, biofyzika vidění 20.11.2014 Prof. Jiří Kozelka, Biofyzikální Laboratoř, Ústav fyziky kondenzovaných látek, PřF MU, Kotlářská 2, kozelka.jiri@gmail.com

Vitamin A Vitamín A je výchozí látkou pro syntézu 11-cis-retinalu, chromoforu, který používají téměř všechny organizmy k zachycování zrakových vjemů. 1 Nakanishi, K. Pure Appl. Chem. 1991, 63, 161-170. 11-cis-retinal je chromoforem, který používají jak tyčinky, tak čípky lidského oka k zachycení světelných vjemů. Pří absorpci fotonu dojde k izomerizaci na trans-izomer. Tato reakce je sama o sobě energeticky výhodná (DG0 = -4 kcal/mol), avšak retinal je zakotven v proteinu zvaném opsin, který konformaci all-trans znevýhodňuje. Výhodná konformační změna retinalu je tedy spojena s energeticky nevýhodnou změnou konformace proteinu (výsledná DG0 je přibližně +35 kcal/mol).1 Relaxace této napjaté struktury nastartuje řadu signálních procesů, které vedou k elektrickému signálu v mozku. V dnešní přednášce se pokusíme objasnit tři problémy: 1. Jak probíhají první fáze přenosu světelného vzruchu? 2. Odkud pochází energie k syntéze energeticky nevýhodné konformace 11-cis-retinalu? Oxidací vitaminu A vzniká retinol ve své konformaci all-trans. 3. Jak je možné, že tentýž chromofor, 11-cis-retinal, který sám absorbuje v oblasti UV, slouží jako čidlo pro viditelné světlo, a to různých barev?

all-trans retinol dehydrogenase upraveno podle http://www.sas.upenn.edu/~tareilaj/retinalandrhodopsin.html V tyčinkách i čípcích je 11-cis-retinal zakotven v proteinu zvaném opsin. Konformační změna vyvolaná absorpcí fotonu umožní připojení opsinu na G-protein transducin. To je první fáze signální kaskády. šíření vzruchu jak? (1) odkud? (2) all-trans retinol (vitamine A) enzym: all-trans retinol dehydrogenase

Opsin + 11-cis-retinal = „oční pigment“ („visual pigment“) Lidská sítnice obsahuje 4 různé oční Rhodopsin v tyčinkách, lmax= 500 nm pigmenty: (krystalová struktura známa) Jodopsin v čípcích Červený, lmax= 557 nm Zelený, lmax= 530 nm Modrý, lmax= 425 nm (struktura jodopsinů je podobná struktuře rhodopsinu, ale zatím přesně neurčena) Většina studií mechanismu byla zatím věnována rhodopsinu. Jakým způsobem reguluje opsin vlnovou délku absorpce retinalu? (3)

Rodopsin a jodopsiny jsou membránové proteiny Rodopsin a jodopsiny jsou membránové proteiny. V tyčinkách je rodopsin zakotven v membráně disků, v čípcích jsou jodopsiny zakotvenyv průchozí plazmové membráně

Konformační změna rodopsinu umožní vazbu s transducinem a jeho aktivaci. Fotoizomerizace retinalu způsobí konformační změnu rodopsinu. Tou se obnaží smyčka spojující šroubovice, na kterou se může vázat G-protein transducin. Fotoizomerizace retinalu Nakanishi, K. Pure Appl. Chem. 1991, 63, 161-170.

Konformační změna rodopsinu umožní vazbu s transducinem a jeho aktivaci. Jako všechny G-proteiny obsahuje transducin vazebné místo pro GDP nebo GTP. V neaktivní formě je vázán na GDP. Vazba na aktivovanou formu rodopsinu („Meta II“) umožní výměnu GDP za GTP. Takto aktivovaný transducin se odpojí a na obnaženou smyčku se může navázat další molekula neaktivního transducinu. GDP GTP Nakanishi, K. Pure Appl. Chem. 1991, 63, 161-170.

Konformační změna rodopsinu umožní vazbu s transducinem a jeho aktivaci. Konformační změna rodopsinu vytvoří na carboxylovém terminálu vazebné místo pro rodopsin-kinázu (RK), která tam forsforyluje aminokyseliny serin a threonin. Fosforylovaná forma Meta II se naváže na protein arrestin, tento inhibitor zablokuje přístup dalším molekulám transducinu. Mezitím se ale stačilo 100 molekul transducinu aktivovat. RK GDP GTP Nakanishi, K. Pure Appl. Chem. 1991, 63, 161-170.

Konformační změna rodopsinu umožní vazbu s transducinem a jeho aktivaci. Konformační změna rodopsinu vytvoří na carboxylovém terminálu vazebné místo pro rodopsin-kinázu (RK), která tam forsforyluje aminokyseliny serin a threonin. Fosforylovaná forma Meta II se naváže na protein arrestin, tento inhibitor zablokuje přístup dalším molekulám transducinu. Mezitím se ale stačilo 100 molekul transducinu aktivovat. RK arrestin GDP GTP Nakanishi, K. Pure Appl. Chem. 1991, 63, 161-170.

Aktivace a dezaktivace očních pigmentů Pokračování signální kaskády G-protein (transducin) Oční pigment (např. rodopsin) Regenerace očního pigmentu Vitamin A Zastavení aktivace G-proteinu Shichida, Y.; H., I. Cell. Moll. Life Sci. 1998, 54, 1299-1315.

Vznik a šíření zrakového impulzu Upraveno z Cell. Mol. Life Sci. 54, 1299 (1998) 1. Absorpce fotonu vede k izomerizaci retinalu a současné konformační změně rodopsinu (tyčinky) nebo jodopsinu (čípky) na konformaci Meta II. 2. Na konformaci Meta II se může vázat G-protein transducin (Gt1/Gt2), přitom se aktivuje (výměna GDP za GTP). 100 molekul Gtn se aktivuje následkem absorpce 1 fotonu. 1 2 3. Aktivovaný Gtn aktivuje enzym cGMP fosfodiesterázu (PDE), 4. ta hydrolyzuje cGMP na otevřený GMP (100.000 molekul cGMP/1 foton). 3 4 5. Není-li v cytoplasmě cGMP, dojde k uzavření sodíkových iontových kanálů, a dojde k hyperpolarizaci membrány. To inhibuje synapse a vede k zastavení produkce jistých neurotransmiterů. Jejich nedostatek způsobí depolarizaci membrány nervových buněk v sítnici a vznik akčního potencálu v očním nervu. Následně dojde k dodání této informace do mozku . 5 6 6. Signál z tyčinek je silnější než z čípků!

Jak je tvořen cis-11-retinal z vitamínu A? Oxidací vitamínu A vzniká all-trans-retinal. DG0 = +4 kcal/mol Izomerizace all-trans-retinalu na cis-11-retinal je ale energeticky nevýhodná (DG0 = +4 kcal/mol). Jak buňka syntetizuje energeticky nevýhodnou konfiguraci?

Biosynthesis of 11-cis-retinal, the chromophore of visual pigments Energy source Hydrolysis: DG0  -5 kcal/mol exergonic Isomerization: DG0 = +4 kcal/mol endergonic Total : DG0  -1 kcal/mol exergonic See: R. R. Rando, The Chemistry of Vitamin A and Vision, Angew.Chem.Int.Ed. 29, 461-480 (1990) The energy for the unfavorable isomerization of all-trans-retinol to 11-cis-retinol comes from phospholipid esters of the retinal membrane

Jak je možné, že 11-cis-retinal, který absorbuje v oblasti UV, slouží jako čidlo pro viditelné světlo, a to různých barev? 11-cis-retinal: lmax= 380 nm Rodopsin v tyčinkách: lmax= 498 nm Jodopsin v čípcích Červený: lmax= 564nm Zelený: lmax= 534 nm Modrý: lmax= 420 nm

1. část odpovědi: 11-cis-retinal je k opsinu vázán přes amino-skupinu lysinu 296 tvorbou tzv. Schiffovy báze: pKa protonované Schiffovy báze silně závisí na okolí v molekule. V rodopsinu a jodopsinech je Schiffova báze protonovaná. Vytvořením Schiffovy báze se podstatně změní absorpční spektrum 11-cis-retinalu.

Jednoduchý model pro rodopsin/jodopsiny: Schiffova báze z reakce 11-cis-retinalu s n-butylaminem: lmax= 380 nm Protonated NH+: lmax= 440 nm Derotonated NH: lmax= 355 nm

2. část odpovědi: elektronové přechody v protonované Schiffově bázi budou záviset na elektrostatických interakcích s okolím. Výpočty skupiny B. Honiga ukázaly, že batochromní posun absorpce Schiffovy báze v rodopsinu může pocházet z interakce s negativně nabitou skupinou v okolí chromoforu. Pokusy s deriváty 11-cis-retinalu, kde konjugovaný systém dvojných vazeb byl na různých místech přerušen, umožnily předpovědět, kde se negativní náboj musí nacházet. 15 14 11 lmax(R = n-butyl) D (cm-1) „opsin shift“  lmax(R = opsin) Honig, B, Nakanishi, K., et al.,. J. Am. Chem. Soc. 1979, 101, 7084.

Největší „opsin shifts“ jsou pozorovány pro deriváty, kde chromofor je omezen na fragment C13-N+. Negativní náboj v opsinu, který způsobuje „opsin shift“, se tedy musí nacházet v blízkosti tohoto fragmentu. B. Honig a K. Nakanishi pomocí výpočtů vyvinuli tzv. „External point-charge model“, kde se nachází náboj -1 e 3 Å od atomu C12. 15 14 11 lmax(R = n-butyl) D (cm-1) „opsin shift“  lmax(R = opsin) Honig, B, Nakanishi, K., et al.,. J. Am. Chem. Soc. 1979, 101, 7084.

Největší „opsin shifts“ jsou pozorovány pro deriváty, kde chromofor je omezen na fragment C14-N+. Negativní náboj v opsinu, který způsobuje „opsin shift“, se tedy musí nacházet v blízkosti tohoto fragmentu. B. Honig a K. Nakanishi pomocí výpočtů vyvinuli tzv. „External point-charge model“, kde se nachází náboj -1 e 3 Å od atomu C12. Podle modelu optimalizovaného pro hovězí rodopsin 11-cis-retinal nemůže být planární (jak by vyžadovala optimalizace p-systému), ale musí ležet zhruba ve dvou rovinách vzájemně pootočených kolem vazby C12-C13. Krystalová struktura hovězího rodopsinu byla zjištěna o 20 let později... Honig, B, Nakanishi, K., et al.,. J. Am. Chem. Soc. 1979, 101, 7084.

Detail from the X-ray structure of bovine rhodopsin Palczewski et al., Science 289: 739-745 (2000) Glutamate E113 C12 6Å 11-cis-retinal bound to K296 NZ atom of lysine K296 Umístění negativně nabité skupiny (E113) zhruba odpovídá strukturnímu modelu předpovězenému Honigem & Nakanishim.

Aminokyseliny obklopující 11-cis-retinal v rodopsinu K. Palczewski, Annu. Rev. Biochem. 2006, 75, 743-767

Konformace molekuly 11-cis-retinalu v krystalové struktuře hovězího rodopsinu (pdb-kód 1U19), zobrazené ve třech orientacích 11 12 Molekula 11-cis-retinalu leží zhruba ve dvou rovinách, jak předpovězeno výpočty Honiga a Nakanishiho. Obě roviny jsou ale vůči sobě pootočeny rotací kolem vazby C11-C12, a ne kolem vazby C12-C13, jak předpovězeno. 12 11 12 11

Crystal structures available Vznik a šíření zrakového impulzu Upraveno z Cell. Mol. Life Sci. 54, 1299 (1998) upraveno podle S.O.Smith, Annu. Rev. Biophys. 2010, 39, 309-328 1 95 K 2 Crystal structures available 3 160 K 4 5 6

Konformace molekuly retinalu v krystalových strukturách hovězího rodopsinu Rodopsin Bathorodopsin Lumirodopsin za tmy po osvětlení, 100K po osvětlení, 160K

Cvičení Jak uvedeno na začátku prezentace, konformační změna rodopsinu po absorpci fotonu a izomerizaci retinalu je spojená s DG0 přibližně +35 kcal/mol. Stačí energie fotonu na nabuzení této energeticky nevýhodné konformace? Vypočtěte energii fotonu pro vlnovou délku 500 nm v jednotkách kcal/mol.